章小寶，彭嵐峰

(南昌大學科學技術學院，江西 九江 332020)

0 引 言

信息、通信技術的不斷進步與應用，對海上信息交互起到了極大的推動作用[1]，無線通信網(wǎng)絡是實現(xiàn)艦船信息交互的重要載體[2]，其性能的優(yōu)劣直接決定了艦船交互信息的傳輸質(zhì)量，艦船無線通信網(wǎng)絡信道資源分配能力將對網(wǎng)絡吞吐量的高低產(chǎn)生重要影響[3]。在惡劣海洋環(huán)境下，艦船交互信息的正常通信將受到一定程度的干擾，這對艦船無線通信性能提出了更高挑戰(zhàn)[4]。5G 網(wǎng)絡的提出與應用使得艦船交互信息的高質(zhì)量、快速傳輸成為可能[5]，尤其是非正交多址接入技術在5G 網(wǎng)絡的應用，對降低網(wǎng)絡時延、提高業(yè)務服務質(zhì)量等具有重要意義。

時永鵬等[6]為提高頻譜資源利用率，提出了基于NOMA 的5G 資源分配算法，該算法將當前網(wǎng)絡的最低設備計算代價作為優(yōu)化目標，分別采用模擬退火、內(nèi)點法以及貪心算法對應計算設備計算遷移、帶寬分配以及分組匹配問題，經(jīng)過聯(lián)合優(yōu)化算法的不斷循環(huán)交替計算，實現(xiàn)資源分配方案的最終確定，但該算法獲得資源分配策略僅為局部最優(yōu)策略，導致子信道允許接入的用戶數(shù)量較低。史建超等[7]為提高通信網(wǎng)絡性能，提出基于OFDM 的跨層資源分配算法。該算法基于子載波分配模型和MAC 層數(shù)據(jù)包調(diào)度效用值模型，依據(jù)MAC 層數(shù)據(jù)包調(diào)度準則實現(xiàn)通信網(wǎng)絡信道資源分配，但該算法信道占用率高，極大限制了網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸能力。

為了提高艦船無線通信網(wǎng)絡吞吐量，本文設計艦船無線通信中5G 信道資源分配算法。通過優(yōu)化資源分配、功率分配和采用NOMA 傳輸機制，可以改善艦船無線通信網(wǎng)絡的通信質(zhì)量，降低干擾度，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。通過該算法，實現(xiàn)多個D2D 用戶組的接入，提供更多的通信服務，滿足艦船無線通信網(wǎng)絡中多樣化的通信需求，達到改善網(wǎng)絡通信質(zhì)量目標。

1 船舶無線通信中5G 信道資源分配

運用非正交多址技術（NOMA）使D2D 發(fā)送用戶與若干個D2D 接收用戶建立數(shù)據(jù)通信5G 信道，從而生成D2D 用戶組[8]。

通過分析船舶無線通信網(wǎng)絡中各個用戶之間的關系、通信信道以及信號傳輸和干擾情況，提供了船舶無線通信網(wǎng)絡的基本信息和特性。

通過目標函數(shù)和約束條件的定義，來尋找最優(yōu)的D2D 組信道匹配策略和功率分配策略，以達到最大化D2D 通信吞吐量的目標。目標優(yōu)化模型描述為：

利用低復雜度匹配算法（USTSMA）實現(xiàn)D2D 用戶與子信道的匹配優(yōu)化求解子信道完成數(shù)據(jù)通信任務時，需將信道接入請求提交給子信道，子信道可響應其申請，但也有拒絕的權利，直至D2D 用戶全部提交接入申請后，即可完成該輪申請任務。本文利用封閉對闡述子信道對接入申請的決策處理，即：

基于USTSMA 算法的艦船無線網(wǎng)絡信道資源分配可通過兩步實現(xiàn)，分別為初始化、匹配。在第一階段，基于給定的信道狀態(tài)信息，完成各子信道、D2D 用戶偏好列表的確定。第二階段中，D2D 用戶在其偏好列表中搜尋從未拒絕其接入申請的子信道，將接入申請傳送給可實現(xiàn)最大吞吐量的子信道，當被選擇的子信道容量低于l，就將接入申請予以保留；當其容量高于l時，能夠接受的接入申請用戶數(shù)量不得高于μ+1，當用戶不再發(fā)送新的接入申請后，即停止匹配。USTSMA 算法的實現(xiàn)過程具體為：

通過迭代注水功率分配算法，能夠更好地利用可用的功率資源，確保每個用戶都能夠獲得適當?shù)墓β史峙?，從而實現(xiàn)最大化系統(tǒng)吞吐量的目標。

2 實驗分析

以艦船無線通信網(wǎng)絡為研究對象，利用Matlab 構建艦船無線通信網(wǎng)絡的模擬環(huán)境，并進行性能分析和優(yōu)化。設定其上行鏈路場景中，僅含有一個BS，且其中的蜂窩用戶與D2D 用戶呈均衡性分布特點。各蜂窩用戶均可獲得一條信道進行艦船監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，各D2D 用戶采取復用蜂窩用戶信道方式并遵循NOMA 機制實現(xiàn)艦船監(jiān)測數(shù)據(jù)通信，相關參數(shù)如表1 所示。設定該基站可用信道總數(shù)為20，采用本文算法對該網(wǎng)絡信道資源進行分配，驗證本文算法的應用性能。使用Python 對實驗結果進行統(tǒng)計分析、可視化和結果呈現(xiàn)。

表1 艦船無線通信網(wǎng)絡相關參數(shù)Tab.1 Relevant parameters of ship wirelesscommunication network

設定某一時刻艦船無線通信網(wǎng)絡內(nèi)有200 個待傳輸數(shù)據(jù)包，采用本文算法對艦船無線通信網(wǎng)絡上行鏈路通信環(huán)境進行信道資源分配，通過對信道分配結果、安全性以及信道干擾等進行分析，研究本文算法的實用性能，實驗結果如表2 所示。

表2 信道資源分配結果分析Tab.2 Analysis of Channel Resource Allocation Results

本文算法可完成艦船無線通信網(wǎng)絡信道資源的分配，實現(xiàn)待傳輸數(shù)據(jù)包的安全傳輸，最大信道干擾度為25、最小值為15，數(shù)據(jù)傳輸速率可達到220 bps 以上。實驗結果表明，本文算法具有信道資源分配能力。這是因為本文算法對信道資源進行合理分配，將干擾度維持在較低水平，避免了過高的干擾。

為進一步分析本文算法的信道資源分配性能，將文獻[6]的基于NOMA 的資源分配算法、文獻[7]的OFDM 跨層資源分配算法作為對比算法，通過對D2D 用戶組接入數(shù)量進行對比分析，驗證本文算法的信道資源分配能力，實驗結果如圖1 所示。

圖1 各算法信道資源分配能力對比分析Fig.1 Comparative analysis of channel resource allocation capabilities of various algorithms

可知，本文算法的信道資源分配能力突出，允許接入網(wǎng)絡的D2D 用戶組數(shù)量更大。

將本文算法應用到艦船無線通信網(wǎng)絡信道資源分配中，設定D2D 用戶組分別以NOMA、OMA 傳輸機制進行數(shù)據(jù)通信，通過對比2 種傳輸機制下的網(wǎng)絡吞吐量的差異，分析本文算法的性能，實驗結果如圖2所示。

圖2 不同傳輸機制下的艦船無線通信網(wǎng)絡性能對比Fig.2 Comparison of ship wireless communication network performance under different transmission mechanisms

可知，將更多的D2D 用戶組接入到艦船無線通信網(wǎng)絡后，網(wǎng)絡吞吐量呈不斷增大趨勢變化，在接入的D2D 用戶組數(shù)量一定的情況下，NOMA 傳輸機制下的網(wǎng)絡吞吐量高于OMA 機制，這是由于應用NOMA 傳輸機制，可將同一信道分配給多個D2D 用戶組，通過信道復用大大降低了用戶對網(wǎng)絡信道資源的占用，大大提高網(wǎng)絡吞吐量目標。實驗結果表明，本文算法具有突出的信道資源分配性能，對提高網(wǎng)絡吞吐量產(chǎn)生有利影響。

3 結 語

通過對比分析接入D2D 用戶組數(shù)量以及網(wǎng)絡吞吐量，驗證本文算法的信道資源分配能力，可以得出以下結論：

1）該算法實現(xiàn)了艦船無線通信網(wǎng)絡5G 信道資源分配，能夠將所有數(shù)據(jù)包分配到安全的信道上，保證數(shù)據(jù)的機密性和完整性。通過合理的信道資源分配和對干擾度的控制，能夠實現(xiàn)較高的傳輸速率，達到220 bps 以上。

2）該算法能夠為更多的D2D 用戶組分配信道資源，接入的D2D 用戶組數(shù)更多。說明本文算法在信道資源分配能力方面具有優(yōu)越性，能夠更好地滿足艦船無線通信網(wǎng)絡的需求。

3）該算法能夠提高艦船無線通信網(wǎng)絡的吞吐量，滿足不同D2D 用戶組的接入需求。